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CN106645093A - 一种拉曼光谱面成像设备 - Google Patents

一种拉曼光谱面成像设备 Download PDF

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CN106645093A
CN106645093A CN201710168751.8A CN201710168751A CN106645093A CN 106645093 A CN106645093 A CN 106645093A CN 201710168751 A CN201710168751 A CN 201710168751A CN 106645093 A CN106645093 A CN 106645093A
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raman
raman spectrum
imaging device
sample
face
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CN201710168751.8A
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李海波
李赣
张鹏程
谷玥娇
张广丰
杨鹏飞
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Institute of Materials of CAEP
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Abstract

本发明提供了一种拉曼光谱面成像设备，属于拉曼光谱技术领域。该拉曼光谱面成像设备包括输出波长可调的激光产生装置、滤光装置以及面阵检测器。激光产生装置发出的激光光束以面照明的方式照射到样品表面，样品在激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到滤光装置，经滤光装置选通后成像到面阵检测器，被面阵检测器接收，能够保证较高拉曼光谱成像的空间分辨率和成像速度，在不切换滤光装置的基础上实现对样品拉曼位移的选择和连续扫描，适用于检测不同物质的拉曼光谱成像。其中，滤光装置可以包括法‑珀干涉器和带通滤光片，能够在保证较高空间分辨率和成像速度的同时有效地提高光谱分辨率，有利于检测具有复杂拉曼光谱的样品。

Description

一种拉曼光谱面成像设备
技术领域
本发明涉及拉曼光谱技术领域，具体而言，涉及一种拉曼光谱面成像设备。
背景技术
拉曼光谱作为一种无损的、指纹性的检测方法已经广泛应用在科研、生产和生活领域,而图像可以给人提供直观的、形象的空间分布信息。拉曼光谱成像技术集成了光谱和图像两者的优点，可以通过图像的方式表达出样品化学成分空间分布的信息，不仅形象直观，而且完整的包含了样品的分子结构信息，特别适合分析具有微纳结构的样品。传统拉曼光谱仪通过固定波长的激光激发样品上的一点、单色仪分光、线阵列CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)接收的检测方式，通过逐点或线扫描实现拉曼光谱成像，成像分辨率低且成像速度慢。
成像分辨率低及成像速度慢是限制拉曼光谱成像技术广泛应用的瓶颈问题。成像分辨率是成像技术最重要的参数之一，分辨率低的图像不能很好的反应出样品的真实状况。而成像速度慢(一般数十分钟甚至数十小时)则对仪器和样品稳定性要求极高，使拉曼成像技术难以实用化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉曼光谱面成像设备，能够有效地提高拉曼光谱成像的空间分辨率和成像速度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种拉曼光谱面成像设备，包括激光产生装置、滤光装置以及面阵检测器。所述激光产生装置发出的激光光束以面照明的方式照射到样品表面的预设区域，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到所述滤光装置，经所述滤光装置选通后成像到所述面阵检测器，被所述面阵检测器接收，其中，所述激光产生装置的输出波长可调。
进一步的，上述滤光装置包括带通滤光片和法布里-珀罗干涉器，所述法布里-珀罗干涉器设置于所述带通滤光片与所述面阵检测器之间，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到所述带通滤光片，经所述带通滤光片的选通后入射到所述法布里-珀罗干涉器，由所述法布里-珀罗干涉器出射后成像到所述面阵检测器，其中，所述法布里-珀罗干涉器的自由光谱范围大于所述带通滤光片带通宽度的一半。通过在检测光路上设置法布里-珀罗干涉器大幅提高光谱分辨率，从而实现兼备高光谱分辨率和空间分辨率的拉曼光谱快速成像，有利于检测具有复杂拉曼光谱的样品，发挥拉曼光谱的指纹特征的优势。
进一步的，上述带通滤光片为窄带滤光片。
进一步的，入射到所述窄带滤光片的拉曼散射光的入射角可调。
进一步的，上述带通滤光片为固定中心波长的带通滤光片。
进一步的，上述滤光装置还包括长通滤光片，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光依次经所述长通滤光片、所述带通滤光片、所述法布里-珀罗干涉器后成像到所述面阵检测器。
进一步的，上述激光产生装置包括可调谐激光器以及扩束镜，所述可调谐激光器发出的激光光束经所述扩束镜的扩束后照射到所述样品表面，所述面照明的方式为科勒式或临界式或散焦形式的面照明方式。
进一步的，上述拉曼光谱面成像设备还包括会聚透镜以及物镜，所述可调谐激光器发出的激光光束经所述扩束镜的扩束后，依次经过所述会聚透镜和所述物镜后照射到所述样品表面。
进一步的，上述拉曼光谱面成像设备还包括二向色镜，所述激光产生装置发出的激光光束入射到所述二向色镜，经所述二向色镜反射后照射到样品表面的预设区域，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到所述二向色镜，透过所述二向色镜后入射到所述滤光装置。
进一步的，上述激光产生装置的输出波长连续可调。
相比于现有技术，本发明实施例提供的拉曼光谱面成像设备中，激光产生装置输出的激光光束以面照明方式照射在样品的预设区域，所产生的拉曼散射光经滤光装置进行光谱选通后成像到面阵检测器，直接得到样品表面预设区域的拉曼光谱图像，采用这种面激发、面成像的方式有效地提高了拉曼光谱成像的成像速度以及成像空间分辨率。此外，通过调节激光产生装置的输出波长，能够在不切换滤光装置的基础上实现对样品拉曼位移的选择和连续扫描，适用于检测不同物质的拉曼光谱成像。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种拉曼光谱面成像设备的结构示意图；
图2为窄带滤光片的透射光谱示意图；
图3为法-珀干涉器的透射光谱示意图；
图4为本发明实施例中法-珀干涉器与窄带滤光片配合使用时的透射光谱示意图。
图中：10-拉曼光谱面成像设备；110-激光产生装置；111-可调谐激光器；112-扩束镜；113-短通滤光片；114-第一反射镜；115-第二反射镜；120-会聚透镜；130-二向色镜；140-物镜；150-滤光装置；151-窄带滤光片；152-法-珀干涉器；153-长通滤光片；160-成像透镜；170-面阵检测器；20-样品。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例提供了一种拉曼光谱面成像设备10，包括激光产生装置110、滤光装置150以及面阵检测器170。激光产生装置110发出的激光光束以面照明的方式照射到样品20表面的预设区域，该样品20在激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到滤光装置150，经滤光装置150选通后成像到面阵检测器170，被面阵检测器170接收。需要说明的是，图1中带箭头的实线用于示意光束的传输方向。
不同于传统的拉曼光谱仪通过固定波长的激光激发样品20上的某一点或线，本发明实施例中，激光产生装置110发出的激光光束照射到样品20表面的预设区域，该预设区域的具体面积即本拉曼光谱面成像设备10的视场面积可以根据需要设计。例如，该预设区域可以为一个方形区域或圆形区域。本实施例中，将这种激发方式定义为面激发方式，结合面阵检测器170，能够直接得到样品20表面预设区域的拉曼光谱图像，有效地提高了拉曼光谱成像的成像速度以及成像空间分辨率。
本实施例中，激光产生装置110用于输出激发光，其输出波长可调。优选的，其输出波长连续可调。具体的，激光产生装置110可以包括可调谐激光器111。其中，可调谐激光器111可以是但不局限于是染料激光器、半导体激光器、Ti蓝宝石激光器、准分子激光器等连续输出或脉冲输出的波长可调谐激光器111中的任意一种。
为了增加可调谐激光器111发出的激光光束的直径，激光产生装置110还包括扩束镜112，用于对可调谐激光器111发出的激光光束进行扩束。
为了抑制荧光背底等影响拉曼成像效果，上述激光产生装置110还可以包括短通滤光片113，可调谐激光器111发出的激光经过短通滤光片113滤光，去除荧光背底等影响拉曼成像的杂散光。例如，短通滤光片113可以设置在可调谐激光器111与扩束镜112之间。
考虑到激光产生装置110空间布局的合理性，激光产生装置110还可以包括第一反射镜114和第二反射镜115，如图1所示。可调谐激光器111发出的激光经第一反射镜114和第二反射镜115反射到扩束镜112，此时，可以将上述短通滤光片113设置在第一反射镜114和第二反射镜115之间的光传播路径上。
为了使得经过扩束的激光光束均匀的照射到样品20上，如图1所示，本拉曼光谱面成像设备10还可以包括会聚透镜120以及物镜140。可调谐激光器111发出的激光光束经扩束镜112的扩束后，入射到会聚透镜120。会聚透镜120将入射的激光光束投射到物镜140的后焦平面，使得激光均匀照射到样品20表面。照在样品20上的激发光的能量分布均匀，有利于拉曼成像。当然，除了上述利用会聚透镜120和物镜140实现的科勒照明方式以外，本实施例也可以采用其他的面照明方式使得激光光束照射到样品20上，例如，光纤照明方式、临界照明方式、散焦形式的面照明方式等。
基于上述内容，本实施例通过扩束镜112、会聚透镜120以及物镜140形成的激发光路使得可调谐激光器111发出的激光光束均匀入射到样品20表面，样品20被激发产生的拉曼信号，成像到面阵检测器170上、被面阵检测器170接收。
需要进一步说明的是，拉曼散射光的接收光路与上述激发光路可以相互独立，也可以共用部分元件。本发明优选实施例中，为了优化设备的光路结构，接收光路与激发光路可以共用物镜140。此时，本拉曼光谱面成像设备还可以包括二向色镜130，二向色镜130起到反射激光光束，透过拉曼散射光的作用，可使得接收光路与激发光路共用物镜140分别实现激发和检测。也就是说，通过设置二向色镜130，使得激发光路的光轴与接收光路的光轴重合。如图1所示，扩束后的激光光束经会聚透镜120后入射到二向色镜130，经二向色镜130反射后经物镜140照射到样品20表面。样品20在激光光束的激发下产生的部分拉曼散射光经物镜140入射到二向色镜130。透过二向色镜130的拉曼散射光经过滤光装置150过滤后成像到面阵检测器170。
为了方便在接收光路中添加滤波器件，本发明优选采用无限远成像方式，即激光光束入射到样品20后形成的部分散射光(包括瑞利散射光和拉曼散射光)入射到物镜140后，被物镜140准直为平行光出射，经二向色镜130、滤光装置150后成像到面阵检测器170、被面阵检测器170接收。当物镜140出射的平行光束的直径较大，与面阵检测器170的尺寸不适配时，可以在滤光装置150与面阵检测器170之间的光路中设置成像透镜160，成像透镜160将物镜140所成的像缩小到适当尺寸后成像到面阵检测器170上。
本实施例中，滤光装置150设置于接收光路中，用于抑制样品20在入射的激光光束的作用下产生的拉曼特征峰以外的光，如瑞利散射背景光，选择性通过特定中心波长的拉曼特征峰，以实现拉曼光谱成像。具体的，滤光装置150至少包括带通滤光片。本实施例中，带通滤光片可以为固定中心波长的带通滤光片，该中心波长拉曼特征峰可以透过带通滤光片成像到面阵检测器170。
为了提高拉曼光谱成像的光谱分辨率，上述带通滤光片优选为窄带滤光片151。为了能够实现窄带滤光片151的中心波长的微调，优选的，入射到窄带滤光片151的拉曼散射光的入射角是可以调节的。通过调节入射到带通滤光片的拉曼散射光的入射角，对窄带滤光片151的透射峰的峰值波长进行微调，以得到更精确的拉曼光谱信息。例如，可以通过调节窄带滤光片151的角度以调节入射到窄带滤光片151的光束的入射角。
由于窄带滤光片151的带通宽度限制，光谱分辨率一般不高于7cm-1，使得拉曼光谱成像的光谱分辨率有限。因此，本实施例中，滤光装置150还包括法布里-珀罗干涉器，以下简称法-珀干涉器152。法-珀干涉器152设置于窄带滤光片151与面阵检测器170之间。经窄带滤光片151选通后入射到法-珀干涉器152的拉曼散射光，进一步经过法-珀干涉器152的多光束干涉作用后，由法-珀干涉器152出射并成像到面阵检测器170。通过法-珀干涉器152和窄带滤光片151的配合使用，实现在大光谱范围内的超窄线宽的带通滤光效果，有利于得到更精确的拉曼光谱信息，发挥拉曼光谱指纹特性的优势。
本实施例中，法-珀干涉器152可以是但不局限于空气间隙法-珀干涉器152、固体间隙法-珀干涉器152及液晶可调法-珀干涉器152等中的一种。
如图2所示，窄带滤光片151的透过光谱包括一个具有一定带宽的透射峰，图2中的横坐标为波长，纵坐标为光强。而法-珀干涉器152的透射光谱包括多个分离的透射峰，类似于梳状结构，如图3所示。图3中的横坐标为波数，纵坐标为光强。相邻两个级次的透射峰的波长间距即为法-珀干涉器152的自由光谱范围。为了得到高光谱分辨率，尽量保证单一中心波长透过，本实施例中，法-珀干涉器152的自由光谱范围大于带通滤光片带通宽度的一半。
为了增强对瑞利散射背景光的抑制，滤光装置150还可以包括长通滤光片153。长通滤光片153设置在窄带滤光片151之前的光路中。此时，样品20在激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到滤光装置150后，具体先入射到长通滤光片153，透过长通滤光片153的光再入射到窄带滤光片151，透过窄带滤光片151后进一步入射到法-珀干涉器152，由法-珀干涉器152出射后成像到面阵检测器170。
面阵检测器170用于将接收到的光学影像转换为电信号，以得到拉曼光谱图像。根据拉曼光谱图像可以进一步得到拉曼光谱信息，从而得到样品20中与该拉曼光谱信息对应的物质的分布情况。本实施例中，面阵检测器170可以为常规面阵CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)、面阵电子倍增CCD(Electron-Multiplying CCD，EMCCD)、面阵COMS检测器或面阵增强电荷耦合器件(ICCD)等。
下面将以一个具体示例对本实施例提供的拉曼光谱面成像设备10中各部件的参数要求进行说明。例如，拉曼光谱面成像设备10中，可调谐激光器111采用YAG激光器泵浦的连续波染料激光器，其输出功率200-2000mW，波长调节范围535-700nm，假设拉曼光谱成像波长固定为671nm，即带通滤光片的中心波长为671nm，图2示出了窄带滤波装置的透过光谱。也就是说，能够通过滤光装置150的拉曼特征峰的中心波长为671nm。此时，通过调节激光器的输出波长，可以在200-2800cm-1范围内实现对拉曼位移的选择和连续扫描，可以在不切换滤光片的基础上适用于检测不同物质的拉曼光谱成像，有利于检测具有复杂拉曼光谱的样品20。
相应地，短通滤光片113的截止波长可以设计为668nm。二向色镜130反射波长可以小于667nm，透过波长可以大于670nm。物镜140为50倍长工作距离物镜140。面阵检测器170为EMCCD。滤光装置150中，长通滤光片153的截止波长可以为668nm。
如图2所示，窄带滤光片151中心波长为671nm，带通宽度约2.5nm约合65cm-1，虽然透过效率高但带通宽度难以满足拉曼光谱成像需求。法-珀干涉器152具有极高的光谱分辨率，然而其自由光谱范围(两个级次干涉峰的波长间距)却非常小，因此需要设计特殊的法-珀腔从而扩大其自由光谱范围，本实施例中为定制空气间隙法-珀干涉器152，其独立使用时的透光光谱图如图3所示，自由光谱范围较宽为1.3nm，带通宽度为0.06nm。将法-珀干涉器152与窄带滤光片151配合使用时，可实现在大光谱范围内的超窄线宽的带通滤光效果，如图4所示，可达到大光谱范围内1.5cm-1的带通宽度。图4中的横坐标为波数，纵坐标为光强。当采用带通宽度更窄的前级滤光片及更高精细度的法-珀干涉器152可达到亚波数的光谱分辨率，从而实现高光谱分辨率的拉曼光谱成像，理论上可达到皮米以上的光谱分辨率。
综上所述，本发明实施例提供的拉曼光谱面成像设备10中，激光产生装置110输出的激光光束以面照明方式照射在样品20的预设区域，所产生的拉曼散射光经滤光装置150进行光谱选通后成像到面阵检测器170，直接得到样品20表面预设区域的拉曼光谱图像，采用这种面激发、面成像的方式有效地提高了拉曼光谱成像的成像速度以及成像空间分辨率。此外，通过调节激光产生装置110的输出波长，能够在不切换滤光装置150的基础上实现对样品20拉曼位移的选择和连续扫描，适用于检测不同物质的拉曼光谱成像，有利于检测具有复杂拉曼光谱的样品20。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拉曼光谱面成像设备，其特征在于，包括激光产生装置、滤光装置以及面阵检测器，所述激光产生装置发出的激光光束以面照明的方式照射到样品表面的预设区域，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到所述滤光装置，经所述滤光装置选通后成像到所述面阵检测器，被所述面阵检测器接收，其中，所述激光产生装置的输出波长可调。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述滤光装置包括带通滤光片和法布里-珀罗干涉器，所述法布里-珀罗干涉器设置于所述带通滤光片与所述面阵检测器之间，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到所述带通滤光片，经所述带通滤光片的选通后入射到所述法布里-珀罗干涉器，由所述法布里-珀罗干涉器出射后成像到所述面阵检测器，其中，所述法布里-珀罗干涉器的自由光谱范围大于所述带通滤光片带通宽度的一半。
3.根据权利要求2所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述带通滤光片为窄带滤光片。
4.根据权利要求3所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，入射到所述窄带滤光片的拉曼散射光的入射角可调。
5.根据权利要求2所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述带通滤光片为固定中心波长的带通滤光片。
6.根据权利要求2所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述滤光装置还包括长通滤光片，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光依次经所述长通滤光片、所述带通滤光片、所述法布里-珀罗干涉器后成像到所述面阵检测器。
7.根据权利要求1所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述激光产生装置包括可调谐激光器以及扩束镜，所述可调谐激光器发出的激光光束经所述扩束镜的扩束后照射到所述样品表面，所述面照明的方式为科勒式或临界式或散焦形式的面照明方式。
8.根据权利要求7所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述拉曼光谱面成像设备还包括会聚透镜以及物镜，所述可调谐激光器发出的激光光束经所述扩束镜的扩束后，依次经过所述会聚透镜和所述物镜后照射到所述样品表面。
9.根据权利要求1所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述拉曼光谱面成像设备还包括二向色镜，所述激光产生装置发出的激光光束入射到所述二向色镜，经所述二向色镜反射后照射到样品表面的预设区域，所述样品在所述激光光束的激发下产生的拉曼散射光入射到所述二向色镜，透过所述二向色镜后入射到所述滤光装置。
10.根据权利要求1所述的拉曼光谱面成像设备，其特征在于，所述激光产生装置的输出波长连续可调。
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